UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
GUSTAVO SAVARIS
RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO CONCRETO AUTOADENSÁVEL
Florianópolis 2016
Gustavo Savaris
RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO CONCRETO AUTOADENSÁVEL
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – PPGEC da Universidade Federal de Santa Catarina, como parte dos requisitos para obtenção do Título de Doutor em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Roberto Caldas de Andrade Pinto, PhD.
Florianópolis 2016
Gustavo Savaris
RESISTÊNCIA AO CISALHAMENTO DO CONCRETO AUTOADENSÁVEL
Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de Doutor em Engenharia Civil, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – PPGEC.
Florianópolis, 22 de setembro de 2016.
__________________________________________________________ Prof. Glicério Trichês, Dr.
Coordenador do PPGEC
__________________________________________________________ Prof. Roberto Caldas de Andrade Pinto, Ph.D.
Orientador Banca Examinadora:
__________________________________________________________ Prof. Dênio Ramam Carvalho de Oliveira, Dr.
Universidade Federal do Pará.
__________________________________________________________ Prof. Giuseppe Barbosa Guimarães, Ph.D.
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
__________________________________________________________ Profª. Poliana Dias de Moraes, Drª.
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________________________ Prof. Ivo José Padaratz, Ph.D.
Universidade Federal de Santa Catarina
__________________________________________________________ Prof. Wellington Longuini Repette, Dr.
Aos meus pais, Almiro e Noeli, à minha esposa, Vaneila, e às minhas filhas, Laura e Mariana,
pelo apoio e compreensão em todos os momentos.
AGRADECIMENTOS
À Deus, sempre presente nos momentos em que eu mais precisava e que me deu forças nessa longa jornada;
À Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), por meio do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil (PPGEC), pela oportunidade de realização deste trabalho;
À Comissão de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES), pela concessão de bolsas de estudos e à Universidade Tecnológica Federal do Paraná por conceder o afastamento para capacitação de docente, possibilitando a realização dos créditos e desenvolvimento da etapa experimental do trabalho;
Ao professor Roberto Caldas de Andrade Pinto, por acreditar na minha capacidade, pela orientação, pelos ensinamentos, pela amizade e pelos conselhos em todos os momentos;
Ao professor Wellington Longuini Repette, pelo auxílio na definição dos traços e por suas contribuições durante o desenvolvimento do trabalho;
Aos professores Ivo José Padaratz e Giuseppe Barbosa Guimarães, pela avaliação e pelas sugestões para aprimoramento deste trabalho no exame de qualificação;
Aos professores Dênio Ramam Carvalho de Oliveira e Poliana Dias de Moraes, por terem aceitado avaliar este trabalho, contribuindo para seu aprimoramento;
Aos professores responsáveis pelos laboratórios de Materiais de Construção Civil e de Experimentação em Estruturas por disponibilizarem as instalações e equipamentos, e aos seus funcionários, Luiz Henrique dos Santos, Renato Santana da Lapa, Roque Medeiros de Lima e Ivan Ribas, pela valiosa colaboração, paciência e amizade;
Às empresas Votorantim Cimentos, Calfipar, Polimix Concreto S.A. e Grace, pela doação dos materiais empregados para realização dos ensaios experimentais;
Aos amigos que me ajudaram, tanto nas disciplinas como nos ensaios, Elisabeth Junges, Mariana Martino Caldeira, Daniel Vieira, Carlos Quintero, Flavia Gelatti, Augusto Casagrande, Mateus Hofmann, Jhulis Carelli, Idilson Nhamage, Alverlando Ricardo, Carolina Coelho da Rosa, Eduardo Schneid e Joelcio Stocco;
Aos amigos Ronaldo Pilar e Rudiele Schankoski que disponibilizaram seus conhecimentos e valioso tempo para auxiliar no desenvolvimento dos traços de concreto convencionais e autoadensáveis;
Aos alunos da iniciação científica, Andréia Zanatta Giordani, Alice Fusinato, Felipe Simoni e Alexandre Vitor, pela colaboração na realização dos ensaios;
Aos professores do PPGEC, pelos ensinamentos;
Às secretárias do Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil, Mari e Priscila, pela atenção e disposição;
À minha amada esposa Vaneila e às minhas filhas, Laura e Mariana, que sempre estiveram ao meu lado, até mesmo quando essa não era sua vontade, agradeço pelo amor, carinho, ajuda e compreensão;
Aos meus pais Almiro e Noeli, pelo amor, carinho e incentivo; Ao professor Sergio Luis González Garcia, da Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro, pela amizade e incentivo;
A todas as pessoas que, de alguma maneira, colaboraram para a realização deste trabalho.
RESUMO
O concreto autoadensável pode ser caracterizado pela sua fluidez e estabilidade, obtida com a utilização de aditivos superplastificantes e a redução da granulometria e volume de agregado graúdo, possibilitando a transposição das armaduras e o preenchimento das formas sem a necessidade de vibração mecânica. A redução do volume e da granulometria do agregado graúdo pode acarretar em menor resistência ao cisalhamento de vigas devido a uma possível redução do efeito de engrenamento entre os agregados. Neste trabalho um programa experimental foi realizado visando investigar a influência da redução do volume e da dimensão máxima do agregado graúdo na resistência ao cisalhamento do concreto autoadensável, utilizando seis composições, quatro de concreto autoadensável e duas de concreto convencionalmente vibrado, com resistência à compressão axial inferior a 50 MPa. Um total de 36 vigas com armadura de flexão, sendo 18 com armadura transversal e 18 sem esta armadura, foram ensaiadas à flexão a quatro pontos, avaliando os modos de ruptura, os padrões de fissuração e as forças cortantes últimas, e comparando as resistências obtidas experimentalmente com as estimativas das normas ACI-318, CAN A23.3, EC-2 e NBR 6118. Ainda, realizaram-se ensaios de cisalhamento direto em 18 exemplares com armadura transversal, avaliando a força cortante última, a abertura da fissura de cisalhamento e a tensão na armadura transversal. De acordo com os resultados as vigas de concreto autoadensável sem armadura transversal apresentaram menor resistência ao cisalhamento em relação ao concreto convencional, porém nas vigas com armadura transversal esta redução de resistência foi suprimida, com os concretos autoadensáveis apresentando resistência levemente superior aos concretos convencionais, e em ambos os casos a redução da resistência foi maior quando reduzida a dimensão máxima do agregado. Os ensaios de cisalhamento direto apresentaram resultados semelhantes aos obtidos em vigas, sendo maior a resistência à formação da fissura de cisalhamento nos concretos convencionais, enquanto a resistência última dos concretos autoadensáveis foi levemente superior aos concretos convencionais. Em relação às estimativas das normas, tanto no concreto convencional quanto no autoadensável os resultados foram conservadores para vigas com armadura transversal, e em vigas sem esta armadura as normas EC-2 e NBR 6118 apresentaram resultados semelhantes aos experimentais.
Palavras-chave: Cisalhamento; Concreto autoadensável; Engrenamento; Mecanismos complementares; Vigas.
ABSTRACT
Self-consolidating concrete is characterized by its high flowability, stability and capacity to flow around the obstacles, which can be achieved with addition of superplasticizer and reduction of the amount and size of coarse aggregates in the concrete mix. This high flowability allows the concrete to properly fill the formwork without any mechanical vibration. The reduction in volume and particle size of the coarse aggregates may result in lower shear strength of beams due to a reduced aggregate interlock. Therefore, an experimental investigation was conducted to evaluate the influence of the reduction in the volume fraction and the nominal size of coarse aggregate on concrete shear strength of consolidating beams. Six concrete mixes were produced, four self-consolidating and two conventionally vibrated, with axial compressive strength under 50 MPa. A total of 36 beams with flexural reinforcement, but 18 with shear reinforcement and 18 without this reinforcement were cast and tested under a four-point loading condition to evaluate their failure modes, cracking patterns and shear resistances. The shear resistances obtained experimentally were compared to the theoretical values given by the ACI-318, CAN A23.3, EC-2 and NBR 6118 codes. Also, push-off tests were performed in 18 specimens with reinforcement to evaluate the ultimate shear force, the crack width, and the shear reinforcement stresses. According to the results, the self-consolidating concrete beams without shear reinforcement showed lower shear resistance as compared to conventional concrete beams. For beams with shear reinforcement, this reduction of resistance was suppressed with the self-consolidating concrete beams showed slightly higher resistance than conventional concrete beams. However, in both cases, the reduction of resistance was higher when a reduced coarse aggregate nominal size was used. Push-off tests showed similar results to those obtained in beams, with a higher resistance to the formation of shear crack in conventional concretes, while the ultimate shear resistance of self-consolidating concrete was slightly higher than conventional concrete. Code based equations estimative were conservatives for beams with shear reinforcement regardless of the concrete mix, however for beams without this reinforcement the EC-2 and NBR 6118 standards estimative was similar to experimental results.
Keywords: Shear; Self-consolidating concrete; Interlock; Complementary mechanisms; Beams.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Equipamento para ensaio de espalhamento (ABNT,
2010). ... 49 Figura 2.2: Ensaio de habilidade passante com Caixa L (ABNT,
2010). ... 50 Figura 2.3: Funil V para ensaio de viscosidade plástica aparente
(ABNT, 2010). ... 51 Figura 2.4: Coluna de segregação (ABNT, 2010). ... 52 Figura 3.1: Trajetória de tensões principais no Estádio I
(LEONHARDT; MÖNNIG, 2008). ... 55 Figura 3.2: Distribuição de tensões normais e tangenciais na seção no Estádio II (CLÍMACO, 2008). ... 56 Figura 3.3: Ruptura na ausência de armaduras transversais eficazes (FUSCO, 2008). ... 57 Figura 3.4: Ruptura na presença de armaduras transversais eficazes (I) Força cortante-compressão (II) Força cortante-tração (III) Força cortante-flexão (IV) Flexão da armadura longitudinal de tração
(FUSCO, 2008). ... 58 Figura 3.5: Fissuração na região de aderência das barras longitudinais devido ao cisalhamento (FUSCO, 2008). ... 59 Figura 3.6: Forças internas em uma viga fissurada sem armadura de cisalhamento (WIGHT; MACGREGOR, 2009). ... 60 Figura 3.7: Ação de arco em viga com carga pontual (I) e com carga distribuída (II) (LEONHARDT; MÖNNIG, 2008). ... 61 Figura 3.8: Relação entre o vão cisalhante (a) e altura efetiva em viga (d). ... 62 Figura 3.9: Comportamento em relação ao momento fletor
considerando a fissuração e a relação a/d (WIGHT; MACGREGOR, 2009). ... 63 Figura 3.10: Comportamento em relação à força cortante considerando a fissuração e a relação a/d (WIGHT; MACGREGOR, 2009). ... 63 Figura 3.11: Tensão cisalhante para vigas com diferentes taxas de armadura longitudinal (ρ) (KANI, 1966). ... 65 Figura 3.12: Transferência de tensões cisalhantes através de uma fissura (VECCHIO; COLLINS, 1986). ... 66 Figura 3.13: Influência da dimensão do agregado no plano de
cisalhamento do concreto: I)Plano de ruptura através do agregado. II) Plano de ruptura circundando o agregado. (LACHEMI et al., 2005). .. 68
Figura 3.15: Distribuição da força cortante interna em viga de concreto
armado (WIGHT; MACGREGOR, 2009). ... 70
Figura 3.16: Viga apresentando a biela comprimida com ângulo e os tirantes (FUSCO, 2008). ... 71
Figura 3.17: Deformações médias em elementos fissurados e círculo de Mohr para deformações médias (Adaptado de VECCHIO; COLLINS, 1986). ... 74
Figura 3.18: Diagrama de corpo livre de parte do elemento (VECCHIO; COLLINS, 1986). ... 75
Figura 3.19: Relação tensão-deformação para concreto fissurado em compressão (VECCHIO; COLLINS, 1986). ... 77
Figura 3.20: Comparação das tensões locais em uma fissura com as tensões médias calculadas (VECCHIO; COLLINS, 1986). ... 79
Figura 4.1: Modelo de exemplar utilizado para ensaios de cisalhamento direto. ... 101
Figura 4.2: Representação gráfica do critério de Mohr (CHEN; HAN, 1988). ... 102
Figura 4.3: Representação gráfica do critério de Mohr-Coulomb (Judice, 2002). ... 103
Figura 4.4: Transferência de forças através da fissura (BIRKELAND; BIRKELAND, 1966). ... 105
Figura 4.5: Tensão de cisalhamento última vs. parâmetro ρv.fy, em peças com e sem pré-fissuração (HOFBECK et al., 1969). ... 106
Figura 4.6: Área de contato entre a matriz e o agregado e tensões no contato (WALRAVEN, 1980). ... 108
Figura 4.7: Tensão de cisalhamento máxima em função da resistência à compressão do concreto, tipo e granulometria do agregado graúdo e taxa de armadura (WALRAVEN; REINHARDT, 1981). ... 110
Figura 5.1: Curva de correlação entre resistência média à compressão axial e relação a/c. ... 127
Figura 5.2: Esquema do pórtico para ensaios de vigas. ... 130
Figura 5.3: Detalhamento da armadura das vigas. ... 131
Figura 5.4: Instrumentação das vigas. ... 133
Figura 5.5: Dimensões dos exemplares e detalhamento da armadura. ... 134
Figura 5.6: Forma com armadura dos exemplares dos ensaios de cisalhamento direto. ... 135
Figura 5.7: Exemplares de cisalhamento direto e corpos-de-prova cilíndricos. ... 136
Figura 5.8: Montagem do ensaio de cisalhamento direto. ... 137 Figura 5.9: Vigas de concreto CC1 sem armadura transversal após ruptura. ... 141 Figura 5.10: Vigas de concreto CC0 sem armadura transversal após ruptura. ... 142 Figura 5.11: Vigas de concreto CA1N sem armadura transversal após ruptura. ... 142 Figura 5.12: Vigas de concreto CA1R sem armadura transversal após ruptura. ... 143 Figura 5.13: Vigas de concreto CA0N sem armadura transversal após ruptura. ... 143 Figura 5.14: Vigas de concreto CA0R sem armadura transversal após ruptura. ... 144 Figura 5.15: Esquema de fissuração das vigas de concreto convencional sem armadura transversal. ... 147 Figura 5.16: Esquema de fissuração das vigas de concreto
autoadensável sem armadura transversal com volume padrão de
agregado. ... 148 Figura 5.17: Esquema de fissuração das vigas de concreto
autoadensável sem armadura transversal com volume reduzido de agregado. ... 149 Figura 5.18: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada das vigas de concreto CC1 sem armadura transversal. ... 150 Figura 5.19: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada das vigas de concreto CC0 sem armadura transversal. ... 150 Figura 5.20: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada das vigas de concreto CA1N sem armadura transversal. ... 150 Figura 5.21: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada das vigas de concreto CA0N sem armadura transversal. ... 151 Figura 5.22: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada das vigas de concreto CA1R sem armadura transversal. ... 151 Figura 5.23: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada das vigas de concreto CA0R sem armadura transversal. ... 151 Figura 5.24: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CC1 sem armadura transversal. ... 153 Figura 5.25: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CC0 sem armadura transversal. ... 154 Figura 5.26: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CA1N sem armadura transversal. ... 154 Figura 5.27: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CA0N sem armadura transversal. ... 155
Figura 5.29: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CA0R sem armadura transversal. ... 156 Figura 5.30: Vigas de concreto CC1 com armadura transversal após ruptura. ... 157 Figura 5.31: Vigas de concreto CC0 com armadura transversal após ruptura. ... 157 Figura 5.32: Vigas de concreto CA1N com armadura transversal após ruptura. ... 158 Figura 5.33: Vigas de concreto CA0N com armadura transversal após ruptura. ... 158 Figura 5.34: Vigas de concreto CA1R com armadura transversal após ruptura. ... 159 Figura 5.35: Vigas de concreto CA0R com armadura transversal após ruptura. ... 159 Figura 5.36: Esquema de fissuração das vigas de concreto convencional com armadura transversal. ... 162 Figura 5.37: Esquema de fissuração das vigas de concreto
autoadensável com volume normal de agregado com armadura
transversal. ... 163 Figura 5.38: Esquema de fissuração das vigas de concreto
autoadensável com volume reduzido de agregado com armadura
transversal. ... 164 Figura 5.39: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada para vigas de concreto CC1 com armadura transversal. ... 165 Figura 5.40: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada para vigas de concreto CC0 com armadura transversal. ... 165 Figura 5.41: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada para vigas de concreto CA1N com armadura transversal. ... 166 Figura 5.42: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada para vigas de concreto CA0N com armadura transversal. ... 166 Figura 5.43: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada para vigas de concreto CA1R com armadura transversal. ... 166 Figura 5.44: Diagrama força cortante vs. abertura da fissura inclinada para vigas de concreto CA0R com armadura transversal. ... 167 Figura 5.45: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CC1 com armadura transversal. ... 169 Figura 5.46: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CC0 com armadura transversal. ... 169
Figura 5.47: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para
vigas de concreto CA1N com armadura transversal. ... 170
Figura 5.48: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CA0N com armadura transversal. ... 170
Figura 5.49: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CA1R com armadura transversal. ... 171
Figura 5.50: Diagrama força cortante vs. deslocamento vertical para vigas de concreto CA0R com armadura transversal. ... 171
Figura 5.51: Exemplares de concreto CC1 após ruptura. ... 173
Figura 5.52: Exemplares de concreto CC0 após ruptura. ... 173
Figura 5.53: Exemplares de concreto CA1N após ruptura. ... 174
Figura 5.54: Exemplares de concreto CA0N após ruptura. ... 174
Figura 5.55: Exemplares de concreto CA1R após ruptura. ... 175
Figura 5.56: Exemplares de concreto CA0R após ruptura. ... 175
Figura 5.57: Diagramas força cortante vs. deslocamento dos exemplares de concreto CC1. ... 176
Figura 5.58: Diagramas força cortante vs. deslocamento dos exemplares de concreto CC0. ... 177
Figura 5.59: Diagramas força cortante vs. deslocamento dos exemplares de concreto CA1N. ... 177
Figura 5.60: Diagramas força cortante vs. deslocamento dos exemplares de concreto CA0N. ... 178
Figura 5.61: Diagramas força cortante vs. deslocamento dos exemplares de concreto CA1R. ... 178
Figura 5.62: Diagramas força cortante vs. deslocamento dos exemplares de concreto CA0R. ... 179
Figura 5.63: Diagrama força cortante vs. deformação específica nas barras transversais no exemplar CC1 A. ... 181
Figura 5.64: Diagrama força cortante vs. deformação específica nas barras transversais no exemplar CC0 A. ... 181
Figura 5.65: Diagrama força cortante vs. deformação específica nas barras transversais no exemplar CA1N A. ... 182
Figura 5.66: Diagrama força cortante vs. deformação específica nas barras transversais no exemplar CA0N A. ... 182
Figura 5.67: Diagrama força cortante vs. deformação específica nas barras transversais no exemplar CA1R A. ... 183
Figura 5.68: Diagrama força cortante vs. deformação específica nas barras transversais no exemplar CA0R A. ... 183
Figura 6.1: Força cortante última normalizada das vigas produzidas com concretos CC1 e CA1N. ... 188
Figura 6.3: cortante última normalizada das vigas produzidas com concretos CA1N e CA1R. ... 189 Figura 6.4: Força cortante última normalizada das vigas produzidas com concretos CA0N e CA0R. ... 190 Figura 6.5: Força cortante última normalizada das vigas produzidas com concretos CC1 e CC0. ... 191 Figura 6.6: Força cortante última normalizada das vigas produzidas com concretos CA1R, CA0R CA1N e CA0N. ... 191 Figura 6.7: Força cortante última normalizada das vigas produzidas com concretos CC1 e CA0R. ... 192 Figura 6.8: Forças cortantes últimas estimadas pelas normas e obtidas experimentalmente vs. resistência à compressão do concreto das vigas com armadura transversal. ... 206 Figura 6.9: Forças cortantes últimas estimadas pelas normas e obtidas experimentalmente vs. resistência à compressão do concreto das vigas sem armadura transversal. ... 209 Figura 6.10: Fases dos ensaios de cisalhamento direto, apresentação do exemplar CC0 A. ... 210 Figura 6.11: Diagrama de deformação específica da armadura vs. deslocamento horizontal do exemplar CC0 A. ... 211 Figura 6.12: Diagrama de deslocamento vertical vs. deslocamento horizontal do exemplar CC0 A. ... 212 Figura 6.13: Diagramas de força cortante vs. deslocamento vertical dos concretos CC1xCA1N (a) e CC0xCA0N (b). ... 216 Figura 6.14: Diagramas de força cortante vs. deslocamento vertical dos concretos CC1xCC0 (a), CA1NxCA0N (b) e CA1RxCA0R (c). ... 217 Figura 6.15: Diagramas de força cortante vs. deslocamento vertical dos concretos CA1NxCA1R (a) e CA0NxCA0R (b). ... 218 Figura 6.16: Diagramas de tensão na armadura transversal vs. abertura da fissura de cisalhamento. ... 220 Figura 6.17: Diagramas de força cortante vs. abertura da fissura de cisalhamento e parcelas de resistência teórica do exemplar CC1 A. ... 221 Figura 6.18: Diagramas de força cortante vs. abertura da fissura de cisalhamento e parcelas de resistência teórica do exemplar CC0 A. ... 222 Figura 6.19: Diagramas de força cortante vs. abertura da fissura de cisalhamento e parcelas de resistência teórica do exemplar CA1N A. 222 Figura 6.20: Diagramas de força cortante vs. abertura da fissura de cisalhamento e parcelas de resistência teórica do exemplar CA0N A. 223
Figura 6.21: Diagramas de força cortante vs. abertura da fissura de cisalhamento e parcelas de resistência teórica do exemplar CA1R A. 223 Figura 6.22: Diagramas de força cortante vs. abertura da fissura de cisalhamento e parcelas de resistência teórica do exemplar CA0R A. 224
LISTA DE TABELAS
Tabela 4.2: Coeficiente de atrito especificados em ACI 318 (ACI, 2011). ... 116 Tabela 4.3: Coesão e coeficiente de atrito especificados em CAN A23.3 (CSA, 2004). ... 117 Tabela 4.4: Características dos ensaios de cisalhamento direto
publicados recentemente. ... 118 Tabela 5.1: Denominação dos concretos em função da dimensão e volume do agregado graúdo. ... 122 Tabela 5.2: Caracterização física e química do cimento CPV-ARI-RS. ... 123 Tabela 5.3: Características físicas dos agregados empregados. ... 124 Tabela 5.4: Características químicas do fíler calcário. ... 125 Tabela 5.5: Granulometria do fíler calcário. ... 125 Tabela 5.6: Características do aditivo TEC-FLOW 8000. ... 126 Tabela 5.7: Características das misturas dos traços pilotos para as diferentes relações de agregados secos/massa de cimento. ... 127 Tabela 5.8: Características dos traços finais para produção de 1 m³ de concreto. ... 128 Tabela 5.9: Propriedades mecânicas das barras e fios de aço. ... 131 Tabela 5.10: Propriedades dos concretos do estudo de dosagem no estado fresco. ... 138 Tabela 5.11: Propriedades dos concretos do estudo de dosagem no estado endurecido. ... 139 Tabela 5.12: Resistência média à compressão axial dos concretos utilizados nas vigas. ... 140 Tabela 5.13: Força cortante última e de ruptura das vigas sem armadura transversal. ... 145 Tabela 5.14: Abertura e ângulo de inclinação da fissura de cisalhamento e quantidade de fissuras nas vigas sem armadura transversal. ... 152 Tabela 5.15: Força cortante última das vigas com armadura
transversal. ... 160 Tabela 5.16: Abertura e ângulo de inclinação da fissura de cisalhamento e quantidade de fissuras das vigas com armadura transversal. ... 168 Tabela 5.17: Propriedades dos concretos utilizados nos ensaios de cisalhamento direto. ... 172 Tabela 5.18: Força cortante última e deslocamentos verticais e abertura de fissura dos exemplares. ... 180
Tabela 6.1: Força cortante última e ângulo médio da fissura de
cisalhamento das vigas sem armadura transversal. ... 186 Tabela 6.2: Deslocamentos verticais no centro do vão das vigas para força cortante igual a 10 kN e 27,5 kN. ... 193 Tabela 6.3: Forças cortantes últimas e ângulo médio das fissuras para vigas com armadura transversal. ... 195 Tabela 6.4: Deslocamentos verticais no centro do vão das vigas para força cortante igual a 20 kN e 55 kN. ... 196 Tabela 6.5: Forças cortantes últimas atribuídas ao concreto e
mecanismos alternativos de vigas com e sem armadura transversal. .. 198 Tabela 6.6: Equações das normas para estimativa da resistência ao cisalhamento de vigas. ... 201 Tabela 6.7: Forças cortantes últimas experimentais e estimativas das normas para vigas com armadura transversal. ... 204 Tabela 6.8: Forças cortantes últimas experimentais e estimativas das normas para vigas sem armadura transversal. ... 207 Tabela 6.9: Força cortante, deslocamento horizontal e deformação específica da armadura no instante de formação da fissura. ... 212 Tabela 6.10: Tensão cisalhante de fissuração e última dos concretos ensaiados. ... 213 Tabela 6.11: Tensão cisalhante de fissuração normalizada. ... 214 Tabela 6.12: Deslocamento vertical plano cisalhante para força cortante de fissuração e última. ... 215 Tabela 6.13: Tensão cisalhante para abertura de fissura igual a 0,10mm, 0,15mm e para carga última, com suas respectivas médias. ... 219 Tabela 6.14: Tensões cisalhantes obtidas experimentalmente e
estimativas de equações da literatura. ... 225 Tabela 6.15: Relação entre as tensões cisalhantes obtidas
experimentalmente e utilizando as equações de Walraven et al. (1987) e Mattock (1988). ... 226 Tabela 6.16: Tensões cisalhantes experimentais e estimativas das normas europeia, americana e canadense. ... 226 Tabela 6.17: Relação entre as tensões cisalhantes últimas obtidas em ensaios de vigas e de cisalhamento direto. ... 227
LISTA DE SÍMBOLOS Letras latinas
a Vão cisalhante
a/c Relação entre a água e o cimento da mistura a/d Relação entre o vão cisalhante e a altura efetiva da
seção transversal
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ACI American Concrete Institute
ag Dimensão máxima do agregado graúdo Ag Área da interface cisalhada
Aps Área de aço da armadura ativa As Área de aço da armadura passiva Asl Área de aço da armadura longitudinal Asw Área de aço da armadura transversal
Ax Área de contato na direção x determinada em função da dimensão do agregado graúdo, da abertura de fissura (w) e do deslocamento vertical do plano de cisalhamento (Δ) Ay Área de contato na direção y determinada em função da dimensão do agregado graúdo, da abertura de fissura (w) e do deslocamento vertical do plano de cisalhamento (Δ) bw Largura da seção transversal de uma viga
c Coesão
CA Concreto autoadensável
CA0N Concreto autoadensável produzido com brita 0 e volume padrão de agregado graúdo
CA1N Concreto autoadensável produzido com brita 1 e volume padrão de agregado graúdo
CA0R Concreto autoadensável produzido com brita 0 e volume reduzido de agregado graúdo
CA1R Concreto autoadensável produzido com brita 1 e volume reduzido de agregado graúdo
CC Concreto convencionalmente vibrado
CC0 Concreto convencionalmente vibrado produzido com brita 0
CC1 Concreto convencionalmente vibrado produzido com brita 1
CEN Comité Européen de Normalisation CSA Canadian Standards Association d Altura efetiva da seção transversal
Eci Módulo de elasticidade do concreto
EFNARC The European Federation of Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems
Ep Módulo de elasticidade da armadura ativa Es Módulo de elasticidade da armadura passiva f1 Tensão residual de tração no concreto fissurado fc Resistência à compressão do concreto
fcc Resistência à compressão do concreto obtido com corpo-de-prova cúbico
fcd Resistência de cálculo à compressão do concreto fck Resistência característica à compressão do concreto fcm Resistência média à compressão do concreto fct,m Resistência média à tração do concreto fctd Resistência de cálculo à tração do concreto
fy Resistência ao escoamento do aço da armadura passiva fyw Resistência ao escoamento do aço da armadura de
cisalhamento
fywd Resistência ao cálculo de escoamento do aço fyx Resistência ao escoamento da armadura na direção x fyy Resistência ao escoamento da armadura na direção y H Relação água/materiais secos
I Momento de inércia da seção em relação ao centro de gravidade
LEE Laboratório de Experimentação em Estruturas LMCC Laboratório de Materiais e Construção Civil LVDT Transdutor linear de deslocamento
m Relação entre os agregados secos e o cimento da mistura M Momento fletor atuante na seção
MDF Medium density fiberboard
Mf Momento fletor fatorado
N Força aplicada perpendicularmente ao plano cisalhante Nf Força axial fatorada
PPGEC Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil s Espaçamento da armadura de cisalhamento s Espaçamento das fissuras inclinadas
smx Indicador das características de controle de fissuras da armadura x
smy Indicador das características de controle de fissuras da armadura y
Sy Momento estático da área da seção homogênea situada acima da fibra de ordenada y em relação à linha neutra sze Parâmetro de espaçamento equivalente das fissuras sz Parâmetro de espaçamento das fissuras
UFSC Universidade Federal de Santa Catarina
V Força cortante
Va Força cortante resistida pelo engrenamento dos agregados
Vc Força cortante resistida pelo concreto Vc0 Força cortante de referência para Vc
Vcr Força cortante de formação da fissura no plano de cisalhamento
Vd Força cortante resistida pelo efeito de pino da armadura longitudinal
Vf Força cortante atuante majorada
Vn Resistência nominal ao cisalhamento de vigas com estribos
Vp Força cortante resistida pelo efeito de protensão Vr Força cortante resistiva minorada
VRd Força cortante resistente de cálculo VRd,max Força cortante resistente máxima Vrup Força cortante de ruptura
Vs Força cortante resistida pela armadura transversal VSd Força cortante atuante de cálculo
Vsw Força cortante resistida pela armadura transversal Vswd Força cortante de cálculo resistida pela armadura
transversal
Vu Força cortante última
Vu,exp Força cortante última obtida experimentalmente Vu,exp,m Força cortante última obtida experimentalmente média VuC,n Força cortante última normalizada pela resistência à
compressão do concreto para vigas com armadura transversal
Vu,m Força cortante última média Vun Força cortante última normalizada Vun,m Força cortante última normalizada média
VuS,n Força cortante última normalizada pela resistência à compressão do concreto para vigas sem armadura transversal
Vu,teo Força cortante última teórica w Abertura da fissura de cisalhamento
wm Abertura média da fissura de cisalhamento
wu Abertura da fissura de cisalhamento medida na carga última
wu,m Abertura média da fissura de cisalhamento medida na carga última
y Distância do centro de gravidade da seção ao ponto considerado
z Braço de alavanca das forças internas Letras gregas
α Ângulo de inclinação da armadura transversal em relação ao eixo da viga
Coeficiente relativo à resistência ao cisalhamento do concreto fissurado
γxy Deformação cisalhante relativa aos eixos x e y Δ Deslocamento vertical do plano de cisalhamento Δcr Deslocamento vertical do plano de cisalhamento relativo à força cortante de formação da fissura de cisalhamento
Δu Deslocamento vertical do plano de cisalhamento relativo à força cortante última
1 Deformação específica principal de tração; 2 Deformação específica principal de compressão; 1i Deformação específica principal de tração no concreto
fissurado
2i Deformação específica principal de compressão no concreto fissurado
’c Deformação específica no corpo-de-prova cilíndrico na tensão máxima ’c
x Deformação específica na direção x y Deformação específica na direção y
Ângulo de inclinação da biela de compressão em relação ao eixo da viga
c Ângulo de inclinação das tensões principais no concreto
ci Ângulo de inclinação da tensão principal de compressão no concreto fissurado em relação ao eixo longitudinal θf Ângulo de inclinação da fissura de cisalhamento
θf,m Ângulo médio de inclinação da fissura de cisalhamento λ Coeficiente de redução da resistência para agregado leve μ Coeficiente de atrito entre superfícies
ν Coeficiente de redução da resistência ρsx Taxa geométrica de armadura na direção x ρsy Taxa geométrica de armadura na direção y ρl Taxa geométrica de armadura longitudinal ρv Taxa geométrica de armadura transversal
σ Tensão normal
’c Tensão máxima de compressão no corpo-de-prova cilíndrico de concreto
I Tensão principal de tração II Tensão principal de compressão cx Tensão no concreto na direção x cy Tensão no concreto na direção y c1 Tensão principal de tração no concreto c2 Tensão principal de compressão no concreto
c2max Tensão principal de compressão máxima no concreto fissurado
cr Tensão de fissuração do concreto
σn Tensão de compressão normal ao plano de cisalhamento po Tensão aplicada na barra protendida
pu Tensão de escoamento da matriz de argamassa sx Tensão média na armadura na direção x sy Tensão média na armadura na direção y
sxcr Tensão na armadura na direção x no local da fissura sycr Tensão na armadura na direção y no local da fissura x Tensão normal atuante na direção x
y Tensão normal atuante na direção y
τ Tensão de cisalhamento
0 Tensão cisalhante na linha neutra
ci Tensão cisalhante na superfície da fissura ci,max Tensão cisalhante resistida máxima
τcr Tensão cisalhante de formação da fissura de cisalhamento
τcr,n Tensão cisalhante normalizada de formação da fissura de cisalhamento
cy Tensão de cisalhamento no concreto na face y sx Tensão de cisalhamento da armadura na direção x sy Tensão de cisalhamento da armadura na direção y xy Tensão de cisalhamento no elemento relativo às
direções x e y
yx Tensão de cisalhamento no elemento relativo às direções y e x
τu Tensão cisalhante última τu,m Tensão cisalhante última média
c Coeficiente de minoração da resistência do concreto Coeficiente de minoração da resistência ao
cisalhamento
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 35 1.1 Considerações iniciais ... 35 1.2 Objetivo geral ... 38 1.3 Objetivos específicos ... 38 1.4 Delimitação da pesquisa ... 38 1.5 Estrutura da tese ... 39 2 CONCRETO AUTOADENSÁVEL ... 41 2.1 Considerações iniciais ... 41 2.2 Materiais constituintes ... 42 2.3 Propriedades do concreto autoadensável no estado fresco ... 44 2.4 Propriedades do concreto autoadensável no estado endurecido ... ... 45 2.5 Métodos de verificação do concreto autoadensável no estado
fresco ... 48 3 FORÇA CORTANTE EM VIGAS DE CONCRETO ... 53 3.1 Considerações iniciais ... 53 3.2 Tensões de cisalhamento em vigas ... 53 3.3 Modos de ruptura de vigas por cisalhamento ... 56 3.4 Mecanismos de resistência ao cisalhamento em peças sem
armadura transversal ... 59 3.4.1 Efeito de arco ... 60 3.4.2 Efeito de pino ... 64 3.4.3 Engrenamento dos agregados ... 65 3.5 Resistência ao cisalhamento em peças de concreto com
armadura transversal ... 68 3.5.1 Modelo de Treliça ... 71 3.5.2 Teoria do campo de compressão modificado ... 73 3.6 Recomendações normativas em relação ao cisalhamento por
força cortante ... 83 3.6.1 Normas baseadas no modelo de treliça ... 83 3.6.2 Norma baseada na teoria do campo de compressão modificada .. ... 87 3.7 Estudos experimentais com concreto autoadensável ... 90 3.7.1 Ensaios realizados por Lachemi et al. (2005) ... 91 3.7.2 Ensaios realizados por De La Cruz et al. (2009) ... 92 3.7.3 Ensaios realizados por Cuenca e Serna (2010) ... 93
3.7.6 Ensaios realizados por Lin e Chen (2012) ... 95 3.7.7 Ensaios realizados por Helincks et al. (2013) ... 96 3.7.8 Ensaios realizados por Resende (2014) ... 97 3.8 Comentários ... 98 4 TEORIA ATRITO-CISALHAMENTO ... 101 4.1 Considerações iniciais ... 101 4.2 Critério de Ruptura de Mohr-Coulomb ... 102 4.3 Desenvolvimento da teoria de resistência ao cisalhamento por
atrito ... 104 4.4 Estudos recentes com ensaios de cisalhamento direto em
concreto autoadensável ... 112 4.4.1 Ensaios realizados por Desnerck et al. (2009) ... 112 4.4.2 Ensaios realizados por Kim et al. (2010) ... 113 4.4.3 Ensaios realizados por Fonteboa et al. (2010) ... 114 4.4.4 Ensaios realizados por Sells et al. (2013) ... 115 4.5 Estimativas da resistência ao cisalhamento por atrito
apresentadas em normas ... 115 4.6 Comentários ... 117 5 PROGRAMA EXPERIMENTAL ... 121 5.1 Considerações iniciais ... 121 5.2 Estudo de dosagem ... 121 5.2.1 Seleção e caracterização dos materiais ... 122 5.2.2 Definição dos traços ... 126 5.2.3 Propriedades do concreto no estado fresco ... 128 5.2.4 Propriedades do concreto no estado endurecido ... 128 5.3 Ensaios de vigas ... 129 5.3.1 Características geométricas e sistema de ensaio ... 129 5.3.2 Características da armadura ... 130 5.3.3 Moldagem das vigas e corpos-de-prova ... 131 5.3.4 Instrumentação e execução dos ensaios ... 132 5.3.5 Avaliação da capacidade de carga teórica das vigas ... 134 5.4 Ensaios de cisalhamento direto ... 134 5.4.1 Dimensões e armadura dos exemplares ... 134 5.4.2 Moldagem dos exemplares ... 135 5.4.3 Montagem e execução dos ensaios ... 136 5.5 Resultados dos ensaios ... 138 5.5.1 Propriedades dos concretos ... 138
5.5.2 Ensaios de vigas ... 140 5.5.3 Ensaios de cisalhamento direto ... 172 6 ANÁLISE DOS RESULTADOS ... 185 6.1 Análise dos resultados das vigas sem armadura transversal... 185 6.1.1 Fissuração e resistência ao cisalhamento ... 185 6.1.2 Análise da rigidez ... 193 6.2 Análise dos resultados das vigas com armadura transversal .. 194 6.2.1 Fissuração e resistência ao cisalhamento ... 194 6.2.2 Análise da rigidez ... 195 6.3 Comparação entre as resistências das vigas com e sem armadura transversal ... 197 6.4 Comparação dos resultados experimentais em vigas com as
prescrições normativas ... 199 6.5 Análise dos resultados dos ensaios de cisalhamento direto .... 210 6.5.1 Resistência ao cisalhamento ... 212 6.5.2 Deslocamento vertical do plano de cisalhamento ... 215 6.5.3 Abertura da fissura de cisalhamento ... 219 6.5.4 Comparação dos resultados experimentais com equações
propostas na literatura e em normas ... 224 6.6 Comparação dos resultados de ensaios de cisalhamento direto e
das vigas com armadura transversal ... 227
7 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES PARA
TRABALHOS FUTUROS ... 229 7.1 Conclusões ... 229 7.2 Recomendações para trabalhos futuros ... 231 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 233
1 INTRODUÇÃO 1.1 Considerações iniciais
As pesquisas na engenharia civil têm possibilitado o desenvolvimento e o aperfeiçoamento dos concretos empregados usualmente, melhorando o processo construtivo.
No final da década de 80, a escassez de mão de obra qualificada e a necessidade de aumentar a durabilidade das estruturas de concreto armado levaram os pesquisadores da Universidade de Tóquio a desenvolver um concreto de alto desempenho, caracterizado pela capacidade de fluir pelas fôrmas e entre as armaduras sem a necessidade de adensamento mecânico, denominado concreto autoadensável (OKAMURA et al., 2000).
Além da redução na quantidade de mão de obra empregada, EFNARC (2005) cita como principais vantagens do concreto autoadensável a possibilidade de concretagem de estruturas com formas complexas, seções reduzidas e com alta taxa de armadura, além do alto grau de homogeneidade do elemento concretado, a redução dos vazios e a uniformidade na resistência do concreto, proporcionando melhoria no acabamento final das superfícies.
A alta fluidez do concreto autoadensável é obtida pela da utilização de aditivos superplastificantes, da redução do volume e da dimensão máxima do agregado graúdo e do aumento do volume de agregado miúdo. Além disso, a viscosidade e a coesão são garantidas pela complementação da dosagem com adições de materiais finos, tais como, cinza volante, cinza da casca de arroz, escória de alto forno, sílica ativa e os fíleres de calcário e quartzo (BARROS, 2009).
Devido a estas particularidades na dosagem e por se tratar de um material relativamente novo existe certa restrição em seu uso, justificada pela necessidade de mão de obra qualificada para produção e principalmente pela ausência de dados a respeito do desempenho estrutural deste material (HASSAN et al. 2008).
Apesar do concreto autoadensável apresentar inúmeras vantagens no estado fresco, são suas propriedades no estado endurecido que interessam os projetistas estruturais. Nos últimos anos, diversas pesquisas têm avaliado as propriedades mecânicas do concreto autoadensável no estado endurecido comparando seu desempenho em uso estrutural ao concreto convencional.
Segundo Domone (2007), as resistências à tração e compressão no concreto autoadensável são similares às do concreto convencional, entretanto o módulo de elasticidade pode ser até 40% menor no concreto
autoadensável para concretos de baixas resistências à compressão, próximo a 20 MPa, e 5% menor em concretos de alta resistência, acima de 90 MPa, em relação ao concreto convencional.
Esta redução do módulo de elasticidade no concreto autoadensável é ocasionada pelo menor volume de agregados graúdos e aumento do volume de pasta do concreto, acarretando em maiores deformações nas estruturas nos estados limites de serviço e último (DESNERCK et al., 2009; BOEL; DE CORTE, 2010).
Por outro lado, Parra et al. (2011) ressaltam que além do adensamento mais eficiente, o uso de aditivos superplastificantes e a redução da relação água/cimento são responsáveis por um aumento da resistência à compressão do concreto autoadensável em relação ao concreto convencionalmente vibrado.
Visto que a ruptura por cisalhamento nas estruturas de concreto armado apresenta caráter brusco, devendo sempre ser evitada, algumas incertezas sobre a resistência ao cisalhamento do concreto autoadensável e a falta de especificação do concreto autoadensável nas normas atuais de dimensionamento de estruturas de concreto armado geram certo desconforto aos projetistas quanto ao seu emprego (HASSAN et al., 2008).
Apesar de ser estudado a mais de um século, a partir da Teoria de Treliça de Ritter e Mörsch, o comportamento das estruturas de concreto quando solicitadas por tensões cisalhantes continua sendo um desafio para engenheiros e pesquisadores, devido a sua complexidade e inúmeros fatores que influenciam neste comportamento.
Nos últimos quarenta anos uma grande quantidade de pesquisas tem objetivado o desenvolvimento de modelos matemáticos que representem o comportamento das estruturas de concreto armado submetidas ao cisalhamento, destacando-se a teoria do campo de compressão modificado (VECCHIO; COLLINS, 1986) por ser baseada na teoria da elasticidade e incluir em sua formulação parâmetros referentes à fissuração do concreto e à granulometria do agregado graúdo empregado.
Estudos com concretos convencionais demonstram que a dimensão máxima do agregado graúdo influencia diretamente no engrenamento dos agregados entre as faces das fissuras. Dependendo da mistura a resistência ao cisalhamento pode ser maior em concretos produzidos com agregados de maior dimensão (SHERWOOD et al., 2009; YANG et al., 2011).
Devido ao concreto autoadensável requerer em sua dosagem menor quantidade de agregado graúdo e menor dimensão destes
agregados, este material pode apresentar uma redução na resistência ao cisalhamento em relação ao concreto convencional (HASSAN et al., 2008). Porém, esta redução da resistência ao cisalhamento no concreto autoadensável não é de consenso entre os pesquisadores.
Uma das formas de avaliar o engrenamento entre os agregados consiste na determinação da transferência de tensões cisalhantes por atrito entre as faces de fissuras, realizada em ensaios de cisalhamento direto, denominados na literatura internacional como push-off, desenvolvidos na década de 60 do século passado. Apesar de não ser normalizado, este tipo de ensaio vem sendo empregado frequentemente, devido às dimensões reduzidas dos corpos-de-prova e a utilização de equipamentos simples para sua execução, possibilitando a realização de ensaios em um grande número de amostras, procedidas de uma análise estatística consistente e proposição de equações para determinar a resistência ao cisalhamento por atrito dos materiais.
Utilizando este tipo de ensaio Desnerck et al. (2009), constataram nos concretos autoadensáveis resistência superior ao concreto convencional, sendo esta atribuída às melhorias na matriz do concreto providas pela utilização de uma quantidade maior de materiais finos, acarretando maior atrito entre as faces das fissuras, e consequentemente suprindo a redução da parcela de engrenamento dos agregados.
Entretanto, Kim et al. (2010) constataram um maior engrenamento dos agregados no concreto convencional em relação ao autoadensável, sendo também verificado um aumento da resistência ao cisalhamento, independente do tipo de agregado, com o acréscimo do volume de agregado graúdo na dosagem do concreto.
Constata-se assim que, apesar do concreto autoadensável existir a cerca de três décadas, não há uma definição exata quanto ao seu comportamento frente a tensões cisalhantes, havendo, portanto, a necessidade de se avaliar a influência das particularidades da dosagem do concreto autoadensável, tais como a utilização de agregados graúdos de menores dimensões e em volume reduzido, na resistência ao cisalhamento de vigas empregando este material.
Apesar da diferenciação na dosagem e no comportamento mecânico dos elementos estruturais no estado endurecido, observa-se que a maioria das normas atuais de dimensionamento de estruturas de concreto armado desconsidera a dimensão máxima do agregado graúdo no dimensionamento de peças solicitadas por tensões tangenciais.
Desta forma, este trabalho justifica-se pelas incertezas sobre o desempenho estrutural do concreto autoadensável quanto às solicitações
tangenciais devido à força cortante, considerada como uma das principais barreiras para utilização deste material pelos projetistas (LACHEMI et al. 2005). A busca dessas informações motivou este projeto, do qual se esperam contribuições sobre o comportamento do concreto autoadensável visando sua utilização em estruturas de concreto armado.
1.2 Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é avaliar a resistência ao cisalhamento do concreto autoadensável, comparativamente ao concreto convencional, considerando a influência do volume e da dimensão máxima característica do agregado graúdo empregado na produção dos concretos.
1.3 Objetivos específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são:
Analisar o comportamento de vigas de concreto armado, com e sem armadura transversal, produzidas com concretos convencionais e autoadensáveis, quando solicitadas por tensões cisalhantes de força cortante;
Avaliar a influência do tipo de concreto, da dimensão máxima e do volume de agregados graúdos utilizados na produção do concreto na resistência ao cisalhamento de vigas produzidas com concreto vibrado convencionalmente e autoadensável;
Avaliar o emprego do concreto autoadensável em estruturas, comparando os resultados obtidos experimentalmente com as estimativas das equações de dimensionamento apresentadas pelos códigos normativos ACI 318-11, Eurocode 2, CAN A23.3 e NBR 6118:2014;
Verificar a viabilidade da utilização dos ensaios de cisalhamento direto para determinação da resistência ao cisalhamento por atrito em peças de concreto armado;
Avaliar as resistências ao cisalhamento por atrito entre faces de fissuras, obtidas em ensaios de cisalhamento direto nos concretos convencional e autoadensável.
1.4 Delimitação da pesquisa
O estudo desenvolvido nesta tese se limita a avaliar a resistência ao cisalhamento do concreto convencionalmente vibrado e autoadensável com resistência à compressão axial inferior a 50 MPa, empregando ensaios de flexão a quatro pontos em vigas e de cisalhamento direto em
corpos-de-prova, em concretos produzidos com agregado granítico com dimensão máxima característica iguais a 9,5 mm e 19 mm.
1.5 Estrutura da tese
A presente tese está estruturada em 7 capítulos, conforme a sequência abaixo:
No Capítulo 1 faz-se uma breve introdução do tema, abordando sua relevância, os objetivos do trabalho, suas delimitações e a estrutura da tese.
No Capítulo 2 é apresentada uma revisão bibliográfica com os aspectos gerais do concreto autoadensável, materiais empregados para sua produção, suas propriedades no estado fresco, métodos de verificação destas propriedades especificados na norma brasileira, além de pesquisas recentes desenvolvidas avaliando este tipo de concreto.
Os modos de ruptura e mecanismos de resistência ao cisalhamento de vigas de concreto armado com e sem armadura transversal são apresentados no Capítulo 3, juntamente com as recomendações de algumas normas de dimensionamento e resultados de pesquisas publicadas recentemente.
No Capítulo 4 é apresentada a teoria da resistência ao cisalhamento por atrito entre interfaces de concreto, desenvolvida na segunda metade do século passado a partir de ensaios de cisalhamento direto, servindo de base para formulação das equações das normas de dimensionamento.
O programa experimental é detalhado no Capítulo 5, mostrando a caracterização dos materiais utilizados, as composições de concretos convencionais e autoadensáveis utilizadas, os equipamentos e métodos para determinação da resistência ao cisalhamento de vigas e dos exemplares utilizados nos ensaios de cisalhamento direto, sendo ao final apresentados os resultados obtidos nos ensaios de vigas sem e com armadura transversal, e nos ensaios de cisalhamento direto.
A análise dos resultados é apresentada no Capítulo 6, onde as resistências e o comportamento observados das vigas e exemplares de cisalhamento direto são avaliados e comparados. Avalia-se, nesse capítulo, as influências das diferentes composições de concretos empregadas nos mecanismos resistentes ao cisalhamento observados nos ensaios realizados.
O Capítulo 7 apresenta as principais conclusões obtidas, destacando a importância e a contribuição do presente trabalho, sendo também recomendados estudos para sua continuidade.
Ao final, são apresentadas as referências bibliográficas utilizadas no trabalho.
2 CONCRETO AUTOADENSÁVEL 2.1 Considerações iniciais
O concreto autoadensável é definido pela NBR 15823 (ABNT, 2010) como um concreto que é capaz de fluir, autoadensar pelo seu peso próprio, preencher a forma e passar por armaduras, enquanto mantém sua homogeneidade.
Do mesmo modo, pode ser definido como um concreto de alto desempenho que apresenta pouca resistência ao escoamento, sendo capaz de fluir dentro de uma fôrma, passando pelas armaduras sem a necessidade de vibração mecânica, aumentando assim a produtividade pela redução da mão de obra no ambiente de trabalho.
Segundo Okamura et al. (2000), por volta de 1983 a indústria da construção no Japão demandava trabalhadores capacitados para produção de estruturas de concreto duráveis, porém ocorria uma redução gradual no número de trabalhadores qualificados, acarretando diretamente na redução da qualidade do trabalho de construção. A solução para este problema foi proposto pelo professor Okamura, em 1986, com o desenvolvimento do concreto autoadensável na Universidade de Tóquio. Após o desenvolvimento do protótipo de concreto autoadensável, este material passou por intensas pesquisas, vindo a ser aplicado nas construções. A primeira aplicação do concreto autoadensável ocorreu no Japão em 1990 na concretagem de uma edificação, logo em seguida foi empregado na concretagem das torres da ponte estaiada Shin Kiba
Ohashi, em Tóquio.
A partir da década de 90 do século passado, o concreto autoadensável começou a ser utilizado na Europa e desde então se expandiu para todo o mundo, sendo empregado desde obras de infraestrutura, como pontes, túneis e paredes de contenção, até grandes obras arquitetônicas, como o Edifício Burj Dubai, nos Emirados Árabes Unidos, a torre de Controle do aeroporto de Estocolmo na Suécia, com 83 metros de altura e o museu nacional de artes do século 21 em Roma, na Itália.
De acordo com Nagataki et al. (2010), atualmente no Japão o concreto autoadensável utilizado nos canteiros de obra corresponde entre 0,1 e 0,2% do volume de concreto produzido em centrais concreteiras, já as indústrias de pré-fabricados consomem entre 2 e 3% deste volume. Em alguns países da Europa, como a Dinamarca, o emprego do concreto autoadensável chega a 50% do concreto utilizado nas indústrias de pré-fabricados e 28% do concreto utilizado diretamente em obras.
O concreto autoadensável no Brasil tem sido utilizado em indústrias de pré-moldados, em obras correntes e especiais, entretanto uma das barreiras para emprego deste material está em seu custo e a necessidade de cuidados especiais na montagem das fôrmas, evitando desperdício do material. Estudo realizado por Repette (2007) demonstra que no Brasil o valor da mão de obra empregada na aplicação do concreto autoadensável corresponde a aproximadamente 24% do valor gasto quando utilizado concreto convencionalmente vibrado, contudo esta redução não supera o custo mais elevado do concreto autoadensável, inviabilizando sua substituição pelo concreto comum.
Neste capítulo faz-se uma breve revisão sobre o concreto autoadensável, apresentando as principais propriedades mecânicas deste tipo de concreto, nos estados fresco e endurecido, os materiais empregados em sua produção e os ensaios normalizados para verificação e aprovação do traço da mistura deste material no estado fresco.
2.2 Materiais constituintes
O concreto autoadensável é produzido utilizando os mesmos componentes básicos do concreto convencional, tais como: cimento, agregados, água, diversos tipos de aditivos e adições, variando consideravelmente na dosagem.
Segundo Repette (2011), todos os tipos de cimento Portland empregados na produção do concreto convencional podem ser empregados na produção do concreto autoadensável, sendo as propriedades no estado fresco e a quantidade de aditivo superplastificante diretamente afetadas pelo tipo de cimento empregado.
A quantidade de cimento do concreto autoadensável está em torno de 200 a 450 kg/m³, dependendo da utilização de adições reativas ou inertes. Dosagens que ultrapassam 500 kg/m³ devem ser avaliadas quanto a problemas de retração, enquanto dosagens com menos de 300 kg/m³ devem utilizar também algum outro material cimentício, tal como cinza volante, escória, entre outros (GOMES; BARROS, 2009).
Os agregados a serem utilizados no concreto autoadensável devem atender às mesmas exigências normativas vigentes para os concretos que necessitam de vibração mecânica. Em geral, o formato e o tamanho das partículas afetam diretamente o volume de vazios dos agregados e influenciam diretamente nas propriedades mecânicas do concreto. A utilização de agregados com partículas de formato mais esféricas produzem concretos com menor atrito interno, aumentando a fluidez e diminuindo o bloqueio ao passar por armaduras (EFNARC, 2005).
Como agregados miúdos, deve-se dar preferência às areias naturais, por apresentarem grãos com forma mais uniforme e arredondada, enquanto as areias de britagem da pedra apresentam grãos com elevada angulosidade e aspereza superficial, sendo menos indicadas por causar maior intertravamento das partículas e maior adsorção de água, aumentando a demanda por pasta e aditivos superplastificantes (REPETTE, 2011).
O volume de agregados graúdos no concreto autoadensável é reduzido, ocupando aproximadamente 30% do volume do concreto (OKAMURA; OUCHI, 2003), enquanto no concreto convencional os agregados graúdos correspondem entre 45% e 65% do volume do concreto dependendo da dimensão máxima do agregado (NEVILLE; BROOKS, 2013).
A redução dos agregados graúdos é compensada pelo maior consumo de materiais finos, partículas menores que 0,125 mm, que podem ser classificados como inertes, como o fíler calcário e a fração mais fina da areia, reativos, pozolanas tais como a cinza da casca de arroz, o metacaulim e a sílica ativa, ou cimentantes, como a escória de alto forno.
Em alguns casos, a falta de coesão da mistura pode ocasionar a separação dos constituintes do concreto, denominada segregação, comprometendo seu desempenho mecânico e a durabilidade do concreto autoadensável (REPETTE, 2011). As adições são utilizadas comumente para melhorar a coesão e evitar esta segregação do concreto, além de reduzir a quantidade de cimento diminuindo o calor de hidratação e evitando a retração térmica (EFNARC, 2005).
A adição de finos no concreto autoadensável proporciona a melhoria de diversas propriedades, tanto no estado fresco como no endurecido. Acredita-se que os finos auxiliem as partículas de cimento a sofrer reação mais rápida com a água, ocasionando ganhos de resistências nas primeiras idades (SIMONETTI, 2008).
Os principais responsáveis pela autoadensabilidade do concreto são os aditivos superplastificantes e os modificadores de viscosidade. Outros aditivos podem ser empregados, tais como os incorporadores de ar, porém são pouco citados na literatura.
No mercado há inúmeros tipos e marcas de aditivos, além de surgirem a cada dia novos produtos direcionados especificamente para o concreto autoadensável. A adequada seleção dos aditivos é importante para a produção do concreto autoadensável, sendo recomendado conhecer as propriedades e limitações dos produtos empregados.
Segundo Gomes e Barros (2009), os superplastificantes são uma categoria especial de agentes redutores de água, formulados a partir de materiais que permitem reduções de água muito superiores ou trabalhabilidade extrema dos concretos nos quais são incorporados.
Os aditivos superplastificantes à base de policarboxilatos são os mais empregados, promovem dispersão das partículas basicamente por meio do efeito estérico, sem causar a diminuição expressiva da viscosidade da pasta, o que é desejável quanto a resistência à segregação da mistura (REPETTE, 2011).
Os aditivos que modificam a coesão do concreto autoadensável sem alterar significativamente a fluidez são denominados modificadores de viscosidade (EFNARC, 2005). Estes produtos químicos melhoram a coesão do concreto, limitando a perda de água por exsudação e minimizando a tendência a segregação. Seu emprego é necessário sempre que os finos não sejam capazes de garantir a coesão da mistura ou como controlador das variações das propriedades dos materiais, visando homogeneizar o concreto (SANTOS, 2010).
Os requisitos de qualidade da água para concreto autoadensável são os mesmos especificados na NBR 15900 (ABNT, 2009) para produção de concretos, podendo ser oriunda de estações de abastecimento público como também obtidas no meio ambiente desde que isenta de óleos, ácidos, cloretos, sulfatos e álcalis.
2.3 Propriedades do concreto autoadensável no estado fresco As principais propriedades do concreto autoadensável no estado fresco são: a capacidade de preencher o interior das fôrmas, a capacidade de passagem entre os obstáculos, sem sofrer nenhum tipo de bloqueio provocado pelo agregado graúdo, bem como a sua resistência à segregação e/ou exsudação (GRUNEWALD, 2004).
A capacidade de se autoadensar é obtida com o equilíbrio entre a alta fluidez e moderada viscosidade. A alta fluidez é alcançada com a utilização de aditivos superplastificantes e a moderada viscosidade e coesão são conseguidas com o incremento de um percentual adequado de adição mineral com granulometria muito fina e/ou aditivos modificadores de viscosidade. Além disso, são características das misturas de concreto autoadensável um maior volume de pasta e um menor volume de agregados, em relação às misturas de concreto vibrado (GOMES; BARROS, 2009).
Com a limitação do volume de agregado graúdo para uma quantidade menor que o convencional reduz-se a energia requerida para o concreto fluir, evitando o bloqueio das partículas de agregado. Além
disso, o concreto autoadensável requer uma pasta de alta viscosidade para evitar o bloqueio dos agregados graúdos quando o concreto flui entre os obstáculos (OKAMURA et al., 2000).
A autoadensabilidade envolve não somente alta fluidez da argamassa, mas também a resistência à segregação entre os agregados graúdos e a argamassa quando o concreto flui através da zona confinada pelas barras de aço (OKAMURA; OUCHI, 2003).
As propriedades relacionadas à fluidez e à deformabilidade do material são definidas pelas características reológicas do material. Assim, o concreto autoadensável deve apresentar baixa tensão de escoamento, garantindo o aumento da fluidez, e a viscosidade deve ser moderada, para promover a estabilidade necessária. Estes parâmetros são diferentes daqueles definidos para os concretos convencionais, os quais exigem tensões de escoamento muito mais altas e viscosidades muito mais baixas (GOMES, 2002).
O concreto autoadensável apresenta certa tendência à progressiva perda de fluidez quando deixado em repouso, denominada tixotropia, porém recupera sua fluidez quando aplicada certa energia. A fluidez e a resistência à segregação do concreto autoadensável garantem um alto nível de homogeneidade, redução no índice de vazios e uniformidade na resistência, resultando em estruturas com um alto nível de acabamento e aumentando sua durabilidade (EFNARC, 2005).
2.4 Propriedades do concreto autoadensável no estado endurecido
Segundo Cattaneo et al. (2012) devido à maior quantidade de materiais finos e reduzido volume de agregado graúdo, o concreto autoadensável apresenta uma microestrutura mais densa que afeta o comportamento estrutural, apresentando menor fissuração e consequentemente maior durabilidade.
Analisando a microestrutura da pasta de cimento hidratada na vizinhança imediata das partículas do agregado graúdo, região denominada de zona de transição de interface, Neville (1997) verificou uma diferenciação entre esta região e o restante da pasta de cimento.
De acordo com Mehta e Monteiro (1994), nesta zona de transição forma-se uma estrutura mais porosa em relação à matriz de argamassa, pois quando o concreto ainda se encontra no estado fresco um filme de água forma-se ao redor das grandes partículas de agregado, podendo levar a uma relação água cimento (a/c) mais elevada nesta região.
Dependendo das características do agregado, tais como distribuição granulométrica e dimensão máxima, é possível existir
grandes diferenças na relação a/c entre a matriz de argamassa e a zona de transição. Em geral, todos os outros fatores permanecendo os mesmos, quanto maior o agregado, maior será a relação a/c local na zona de transição e, consequentemente, menos resistente e mais permeável será o concreto (MEHTA; MONTEIRO, 1994).
Entretanto, a resistência da zona de interface pode aumentar com o tempo em consequência de uma reação secundária do hidróxido de cálcio com pozolanas (NEVILLE, 1997).
Como a utilização de pozolanas é comum no concreto autoadensável, principalmente a sílica ativa, muito mais fina do que as partículas de cimento, nestes casos pode ocorrer uma melhoria na resistência da interface, influenciando diretamente nas propriedades mecânicas do material.
Segundo Domone (2006), estudos de caso de aplicações do concreto autoadensável publicados entre 1993 e 2003 avaliando as propriedades no estado fresco, as variações nos materiais constitutivos e suas devidas proporções, e a resistência à compressão confirmam que o concreto autoadensável atende as classes de resistências definidas para o concreto convencional.
Comparado ao concreto convencional, observa-se que geralmente o concreto autoadensável é produzido com menor relação a/c, aumentando o potencial para altas resistências, retirada prévias das fôrmas e uso antecipado dos elementos estruturais (EFNARC, 2005).
Atualmente inúmeras pesquisas têm avaliado as propriedades no estado endurecido, tais como: resistência à compressão, tração e cisalhamento direto, módulo de elasticidade, fluência, retração, coeficiente de expansão térmica, aderência ao aço e durabilidade (PERSSON, 2001; OKAMURA; OUCHI, 2003; LACHEMI et al. 2005; BARROS, 2009; REPETTE; HASTENPFLUG, 2009; MAZZOTTI; SAVOIA, 2009; HASSAN et al. 2010; CASTEL et al., 2010; COUTINHO, 2011).
Apesar de algumas pesquisas apresentarem divergências sobre comportamento mecânico do concreto autoadensável em relação ao concreto convencional, as Diretrizes Europeias para Concreto Autoadensável (EFNARC, 2005) consideraram que, para uma determinada classe de resistência à compressão, estes materiais apresentam propriedades mecânicas equivalentes e, se há diferenças, estas são usualmente cobertas pelos coeficientes de segurança adotados pelas normas de dimensionamento.
Castel et al. (2010) realizaram ensaios de tração direta e tração por compressão diametral em corpos-de-prova e tração por flexão em
